PDF《半导体研究系列之五（功率半导体）：电力电子核心,国产替...》

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2019 年04 月07 日 半导体行业 半导体研究系列之五(功率半导体) :电力电子核心,国产替代大势所趋 行业专题研究 吴吉森(分析师) 021-68865595 wujisen@xsdzq.

cn 证书编号:S0280518110002 ? 功率半导体是系统应用核心器件,战略地位突出 功率半导体是电子装Z电能转换与电路控制的核心,本质上,是通过利用半 导体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能. 功能半导体包括功率 IC 和功率器件,是系统应用的核心器件,战略地位十分突出.功率半导体具体 用途是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等.从产品种类看,根据Yole 统计数据,2017 年功率半导体最大的细分领域是功率 IC, 占比 54%, MOSFET 占比 17%,IGBT 占比 12%,功率二极管/整流桥占比 15%. ? 新兴应用不断涌现,功率半导体市场持续向好 功率半导体的应用领域非常广泛,根据 Yole 数据,2017 年全球功率半导体 市场规模为

327 亿美元,预计到

2022 年达到

426 亿美元,复合增长率为 5.43%,其中,2017 年全球功率半导体器件市场规模为 144.01 亿美元,预计 到2022 年市场规模将达到 174.88 亿美元,复合增长率为 3.96%.在全球功 率半导体市场中,工业、汽车、无线通讯和消费电子是前四大终端市场,根 据中商产业研究院数据,

2017 年工业应用市场是功率半导体最大的市场, 占比34%,汽车领域占比 23%,消费电子占比 20%,无线通讯占比 23%.我 们认为受益于工业、新能源汽车、通信和消费电子领域新兴应用不断出现, 全球功率半导体市场将会不断向好,规模将会不断扩大. ? 中国是全球最大功率半导体市场,国产替代大势所趋 中国是全球最大的功率半导体消费国,根据 Yole 数据,2017 年中国功率半 导体市场空间占全球比例为 39%.功率半导体厂商以欧美日为主,且大多是 IDM 模式,是IGBT 和中高压 MOSFET 的主要制造商,占据全球功率半导 体70%的市场份额,英飞凌、安森美是典型代表;

中国大陆以二极管、低压 MOSFET、晶闸管等低端功率半导体为主,目前实力较弱,占据全球 10%的 市场份额,供需缺口很大,国产替代迫在眉睫.目前,国外厂商逐步退出低 压功率半导体领域, 国内的龙头企业有望依靠成本优势和技术优势承接这部 分市场份额;

在高端产品领域,中国中车、比亚迪等企业在高铁、汽车等领 域已经取得了突破.我们认为随着国内汽车电子、工业电子等下游产业日渐 崛起,国内功率半导体市场将迎来更广阔的发展前景,国内企业迎来绝佳的 发展良机,国产替代将是大势所趋. ? 受益标的:捷捷微电(300623):国内晶闸管龙头企业,在晶闸管领域率 先打破国外垄断;

扬杰科技(300373) :内生外延并举,切入 SiC 领域;

华 微电子(600360) :老牌功率半导体企业,新兴领域不断突破;

士兰微 (600460) :产能加速释放,积极布局 GaN 领域;

闻泰科技(600745) :拟 并购安世半导体,未来成长可期;

斯达股份:国内 IGBT 领军企业,受益于 下游行业大发展;

陆芯科技:新一代功率半导体技术领航企业. ? 风险提示:行业竞争加剧、研发不及预期、国产替代进度不及预期 推荐(维持评级) 行业指数走势图 相关报告 《半导体研究系列之四(存储器) :自主 可控,存储之道》2019-03-09 《半导体研究系列之三(材料):半导体 产业基石,国产替代正当时》2018-04-10 《半导体研究系列之二(设备):星星之 火,燎原之势渐起》2018-04-10 《半导体研究系列之一:大国重器,进击 的中国半导体产业》2018-04-01 -43% -36% -29% -22% -15% -8% -1% 2018/04 2018/07 2018/10 2018/12 2019/04 半导体 沪深300 2019-04-07 半导体行业 敬请参阅最后一页免责声明 -2- 证券研究报告 目录

1、 功率半导体是系统应用核心器件,战略地位突出.5 1.

1、 功率半导体是电能转换与电路控制的核心.5 1.

2、 功率半导体分类

5 1.2.

1、 二极管:最简单的功率器件.7 1.2.

2、 MOSFET:高频开关,功率器件最大市场

7 1.2.

3、 IGBT:电力电子行业 CPU

9 1.

3、 功率 IC:功率器件与其他元器件集成,用于小电流环境.10

2、 新兴应用不断涌现,功率半导体市场持续向好.10 2.

1、 工业领域对电机需求不断提升

11 2.

2、 汽车电子价格提升,新能源汽车爆发增长.12 2.

3、 节能环保意识增强,智能电网普及

14 2.

4、 5G 爆发在即,通信行业对功率半导体需求激增.14 2.

5、 消费电子领域 Type-C 接口普及,主板升级换代.15

3、 功率半导体欧美日三足鼎立,国产替代正当时.16 3.

1、 欧美日三足鼎立,中国厂商实力有待提高.16 3.

2、 供需缺口大,中国功率半导体依赖进口

17 3.

3、 二极管:市场集中度低,有望率先实现国产替代.20 3.

4、 MOSFET:中低压市场有望替代,高压市场取得突破.21 3.

5、 IGBT:自给率不足 10%,国内厂商逐个突破.21

4、 新材料功率半导体大有可为,国内企业有望弯道超车.24 4.

1、 碳化硅功率器件前景广阔,欧美日三分天下.25 4.

2、 氮化镓(GaN) :起步较晚,衬底成本高昂.28

5、 受益标的:30 5.

1、 捷捷微电(300623) :国内晶闸管龙头企业,打破国外厂商垄断.30 5.

2、 扬杰科技(300373) :内生外延并举,切入 SiC 领域.31 5.

3、 华微电子(600360) :老牌功率半导体企业,新兴领域不断突破.32 5.

4、 士兰微(600460) :产能加速释放,积极布局 GaN 领域.33 5.

5、 闻泰科技(600745) :拟并购安世半导体,未来成长可期.34 5.

6、 斯达股份:国内 IGBT 领军企业,受益于下游行业大发展

35 5.

7、 陆芯科技:新一代功率半导体技术领航企业.35

6、 风险提示

36

图表目录 图1: 功率器件分类.6 图2: 功率半导体应用领域.7 图3:

2017 年功率半导体下游市场结构占比.7 图4: 二极管结构示意图.7 图5: 二极管单向导通示意图.7 图6: MOSFET 结构图.8 图7: 全球 MOSFET 市场规模稳步增长

8 图8:

2022 年MOSFET 终端应用占比.8 图9: IGBT 结构图

9 图10: IGBT 主要应用领域

9 2019-04-07 半导体行业 敬请参阅最后一页免责声明 -3- 证券研究报告 图11: 全球 IGBT 市场规模持续增长.10 图12:

2017 年功率半导体终端市场格局.11 图13:

2017 年功率半导体终端市场格局.11 图14: 全球功率半导体器件市场规模稳步增长.11 图15: 工业功率半导体市场规模稳步增长.12 图16: 电动汽车主要功率模块图解.12 图17: 新能源汽车出货量快速增长.13 图18: 汽车电子成本构成(美元)13 图19: 汽车功率半导体市场规模.错误!未定义书签. 图20: 充电桩安装数量快速增长.14 图21: 充电桩功率半导体市场规模快速增长.14 图22: 全球新增光伏装机量预测.14 图23: 全球光伏功率半导体市场规模预测.14 图24: 全球通信设备市场规模稳步增长.15 图25: 通信功率半导体市场规模稳步增长.15 图26: Type-C 接口设备出货量预测.16 图27: Type-C 接口对 MOSFET 需求测算.16 图28: 消费电子功率半导体市场规模稳步增长.16 图29:

2017 年功率半导体竞争格局情况.17 图30:

2017 年全球功率器件供给按照区域划分占比.18 图31:

2017 年全球功率器件需求按区域划分占比.18 图32:

8 寸晶圆价格持续上涨.18 图33: 二极管市场规模预测稳步增长.20 图34: 二极管进出口数量逐步减少.20 图35: 英飞凌营收稳步增长.22 图36: 英飞凌净利润快速增长.22 图37:

2018 年英飞凌营收结构(按地区)23 图38:

2018 年英飞凌营收结构(按产品)23 图39: 中国 IGBT 市场供需对比.24 图40: SiC 二极管与 Si 二极管对比.26 图41: SiC 与GaN 应用领域

26 图42: 碳化硅功率器件市场规模(按应用分类)27 图43: SiC 上下游产业链.28 图44: 氮化镓功率器件市场规模(按应用分类)28 图45: 氮化镓功率器件厂商.29 图46: 捷捷微电营业收入稳步增长.30 图47: 捷捷微电净利润稳步增长.30 图48: 扬杰科技营业收入持续增长.31 图49: 扬杰科技净利润增长情况.31 图50: 华微电子营业收入稳步增长.32 图51: 华微电子归母净利润快速增长.32 图52: 士兰微营业收入稳步增长.33 图53: 士兰微归母净利润增长情况.33 图54: 闻泰科技净利润快速增长.34 图55: 安世半导体净利润快速增长.34 图56: 斯达股份营收快速增长.35 图57: 斯达股份营利润快速增长.35 2019-04-07 半导体行业 敬请参阅最后一页免责声明 -4- 证券研究报告 表1: 电力转换的四种基本模式.5 表2: 功率器件各项参数及其应用领域对比.6 表3: 中国厂商与国外厂商对比.17 表4: 功率器件交货期.19 表5: 国内可用于功率器件制造的晶圆线产能.19 表6: 国内新增晶圆产线.20 表7:

2017 年中国 MOSFET 市场格局

21 表8: 全球 IGBT 供应商排名.22 表9: 全球 IGBT 供应商排名(按电压)23 表10: 半导体材料对比.25 表11: Si 基器件与 SiC 器件价格对比.27 表12:公司 IGBT 应用领域和性能.36 2019-04-07 半导体行业 敬请参阅最后一页免责声明 -5- 证券研究报告

1、 功率半导体是系统应用核心器件,战略地位突出 1.

1、 功率半导体是电能转换与电路控制的核心 功率半导体是电子装Z电能转换与电路控制的核心, 本质上, 是通过利用半导 体的单向导电性实现电源开关和电力转换的功能.无论是水电、核电、火电还是风 电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用 需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用. 模拟 IC 中的电源管理 IC 与分立器件中的功率器件功能相似,二者经常集成 在一颗芯片中,因此功率半导体包括功率 IC 和功率器件.功率半导体的具体用途 是变频、变相、变压、逆变、整流、增幅、开关等,相关产品具有节能的作用,被 广泛应用于汽车、通信、消费电子和工业领域.在汽车中,汽车蓄电池的输入电压 在12V-36V,而民用电电压为 220V,将民用电电压转换至输入电压的过程叫做变 压.蓄电池的输入电流一般是直流电,将交流电转换为直流电的过程叫做整流.汽 车运行时,蓄电池持续输出直流电,而汽车的各个模块需要使用交流电,交流电转 换为直流电的过程叫做逆变.汽车蓄电池输出的电压很低,无法满足各个模块的需 求, 将低电压转换成高电压的过程叫做增幅. 电动汽车的马达使用的电流是三相电. 首先,蓄电池输出的直流电经过逆变后成为单向交流电,将单向交流电变为三相电 的过程叫做变相. 表1: 电力转换的四种基本模式 转换形式 代表设备 实现功能 AC-AC 变压器 升降压,常用在输配电系统中 AC-DC 整流器 将交流电转化为直流电,常用在电器电源中 DC-AC 逆变器 将直流电转化为交流电,常用在变频器中 DC-DC 稳压器 斩波,常用在仪器仪表中 资料来源:基业长青、新时代证券研究所 1.

2、 功率半导体分类 功率半导体主要分为功率器件、功率 IC.其中功率器件经历了近

70 年的发展 历程:20 世纪

40 年代,功率器件以二极管为主,主要产品是肖特基二极管、快恢 复二极管等;

晶闸管出现于

1958 年,兴盛于六七十年代;

近20 年来各个领域对功 率器件的电压和频率要求越来越严格, MOSFET 和IGBT 逐渐成为主流, 多个 IGBT 可以集成为 IPM 模块,用于大电流和大电压的环境.功率 IC 是由功率半导体与驱 动电路、电源管理芯片等集成而来的模块,主要应用在小电流和低电压的环境. 根据可控性分类 根据功率半导体的可控性可以将功率半导体分为三类, 第一类是不可控型功率 器件,主要是功率二极管.功率二极管一般为两端器件,其中一端为阴极,另一端 为阳极,二极管的开关操作完全取决于施加在阴极和阳极的电压,正向导通,反向 阻断,电流的方向也是单向的,只能正向通过.二极管的开通和关断都不能通过器 件本身进行控制,因此将这类器件称为不可控器件. 第二类是半控型功率器件,半控型器件主要是晶闸管(SCR)及其派生器件, 如双向晶闸管、逆导晶闸管等.这类器件一般是三段器件,除阳极和阴极外,还增 加了一个控制用门极.半控型器件也具有单向导电性,其开通不仅需在阳极和阴极 2019-04-07 半导体行业 敬请参阅最后一页免责声明 -6- 证券研究报告 间施加正向电压,还必须在门极和阴极间输入正向可控功率.这类器件一旦开通就 无法通过门极控制关断,只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电 流变为零.这类器件的开通可控而关断不可控,因此被称之为半控型器件. 第三类是是全控型器件,以IGBT 和MOSFET 等器件为主.这类器件也是带 有控制端的三端器件,其控制端不仅可以控制开通,也能控制关断,因此称之为全 控型器件. 图1: 功率器件分类 资料来源:新时代证券研究所 根据驱动形式分类 根据驱动形式的不同,我们将功率半导体分为三类,第一类是电流驱动型,第 二类是电压驱动型,第三类是光驱动型. 电流驱动型器件有 SCR、BJT、GTO 等,这类器件必须有足够的驱动电流才能 使器件导通或者关断,本质上是通过极电流来控制器件.GTO 和SCR 一般通过脉 冲电流控制,BJT 则需要通过持续的电流控制. 电压控制型电路主要是 IGBT 和MOSFET 等,这类器件的导通和关断只需要 一定的电压和很小的驱动电流,因此器件的驱动功率很小,驱动电路比较简单. 光控型器件一般是专门制造的功率半导体器件,如光控晶闸管.这类器件的开 关行为通过光纤和专用光发射器来控制,不依赖电流或者电压驱动. 表2: 功率器件各项参数及其应用领域对比 类型 可控性 驱动形式 导通方向 电压 特点 应用领域 二极管 不可控型 电流驱动 单向 低于 1V 电压电流较小,只能单向导电 电子设备、工业 晶闸管 半控型 电压驱动 单向 几千伏 体积小、耐压高 工业、UPS、电焊机、变频器 IGBT 全控型 电压驱动 双向 600V 以上 能承受高电压,不能放大电压 电机、逆变器、高铁、汽车 MOSFET 全控型 电压驱动 双向 十几伏到

1000 伏 开关频率高,不耐超高压,可改变................